Untersuchung und Beschreibung physikalischer Mechanismen von Adhäsion in mikromechanischen Inertialsensoren

Abstract

Die Adhäsion von Siliziumoberflächen kann in mikromechanischen Bauelementen zu Funktionsbeeinträtigungen bzw. zu deren Ausfall führen. In dieser Arbeit wurden die physikalischen Mechanismen der Adhäsion an mikromechanischen Interdigitalstrukturen experimentell und theoretisch behandelt. Die untersuchten Sensoren wurden mit der Technologie der Oberflächenmikromechanik hergestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals ein analytisches Modell entwickelt, das die elektrostatische Anziehungskraft in Abhängigkeit der elektronischen Eigenschaften von Halbleiteroberflächen beschreibt. Die berücksichtigten Einflußparameter sind die Dotierstoffkonzentration des Elektrodenmaterials, die Ladungsdichte auf der Halbleiteroberfläche, der Elektrodenabstand, eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden und die dieelektrische Eigenschaft des Elektrodenmaterials und des Isolators. Durch Anwendung des Modells auf mikromechanische Siliziumelektroden, wurde gezeigt, daß eine Unsymmetrie der Dotierstoffkonzentration und der Oberflächenladungsdichte die Anziehungskraft zwischen den Elektroden beeinflußt. Die aus der Unsymmetrie der Ladungsträger resultierende Anziehungskraft zwischen Halbleiteroberflächen kann, auch wenn keine elektrische Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, bei entsprechender Wahl der elektronischen Einflußparameter zu einer elektrostatischen Wechselwirkung führen, die durch die mikromechanischen Rückstellelemente nicht überwunden werden kann, d.h. die Oberflächen können aneinanderhaften. Die Anwendung des analytischen Modells auf die mikromechanischen Sensoren zeigt, daß die langreichweitigen, elektrostatischen Kräfte an großen Elektrodenflächen relevant werden, wenn sich die Siliziumoberflächen mit inhomogenen, elektronischen Materialeigenschaften nahekommen. Bei einer flächigen Berührung dominieren kurzreichweitige van der Waals-Kräfte die Adhäsion.

The adhesion of silicon surfaces can lead to a poor performance or breakdown of micromechanical structures. In this thesis the physical mechanisms of adhesion have been investigated theoretically and experimentally with micromechanical interdigital sensors. The investigated sensors have been produced using surface micromachining technology. For the first time, a model and an analytical formulation capable of describing the electrostatic attractive forces due to the electronic properties of semiconducting surfaces were developed. The doping level of the electrodes, surface charges on semiconductors, the distance between electrodes, a voltage applied across the electrodes and the dielectric properties of the setup were taken into account for the analytical calculation of the interaction forces. Application of this model to micromechanical silicon electrodes revealed, that an asymmetric distribution of the dopant concentration and of the surface charges influences the electrostatic forces across the electrodes. Under appropriate circumstances the attractive forces resulting from the inhomogenity of the electrode material may lead to a permanent adhesion of the semiconducting surfaces even when there is no external voltage applied. The application of the analytical model to micromechanical sensors shows that the long-range, electrostatic forces are relevant for large electrode surfaces, when silicon surfaces with inhomogenous, electronic material’s properties are in close distance. For surfaces in a mechanical contact the short-range van der Waals forces dominate the adhesion.